El movimiento controlado de partes o la aplicación controlada de fuerza es un requisito común en las industrias. Estas operaciones se realizan principalmente utilizando máquinas eléctricas o motores diésel, a gasolina o a vapor como motor principal. Estos motores principales pueden proporcionar diversos movimientos a los objetos mediante el uso de algunos accesorios mecánicos como el gato de tornillo, la palanca, el engranaje de cremallera y piñón, entre otros. Sin embargo, estos no son los únicos motores principales.

Hidráulica

Los fluidos encapsulados (líquidos y gases) también pueden utilizarse como motores principales para proporcionar movimiento controlado y fuerza a los objetos o sustancias. Los sistemas de fluidos encapsulados especialmente diseñados pueden proporcionar tanto movimiento lineal como rotativo. También se puede aplicar una fuerza controlada de alta magnitud utilizando estos sistemas. Este tipo de sistemas basados en fluidos encapsulados que utilizan líquidos incompresibles presurizados como medios de transmisión se llaman sistemas hidráulicos. El sistema hidráulico funciona según el principio de la ley de Pascal, que establece que la presión en un fluido encapsulado es uniforme en todas las direcciones. La ley de Pascal se ilustra en la figura 1. La fuerza proporcionada por el fluido se obtiene multiplicando la presión y el área de la sección transversal. Dado que la presión es la misma en todas las direcciones, el pistón más pequeño experimenta una fuerza más pequeña y un pistón grande experimenta una fuerza mayor. Por lo tanto, se puede generar una gran fuerza con una entrada de fuerza más pequeña utilizando sistemas hidráulicos.

La palabra "Hidráulica" proviene del griego "hydro" que significa "agua", y “aulos” que significa cañería o entubamiento, cubrió originalmente el estudio del comportamiento físico del agua en reposo y en movimiento.

La “hidráulica”, por lo tanto, es un adjetivo que implica que la palabra está de alguna manera relacionada con líquidos. Ejemplos pueden ser encontrados en el uso diario de “hidráulica” en conexión con elementos familiares como los gatos de automóviles y los frenos. Como un ejemplo gráfico, la frase “elevador hidráulico de carga” se refiere a un elevador ascendiendo y descendiendo sobre una columna de líquido en lugar de usar cables y un tambor. Por otro lado, la palabra “hidráulica” es el nombre genérico de un tema. De acuerdo con el diccionario la palabra “hidráulica” está definida como la ciencia que trata con aplicaciones prácticas (tales como la transmisión de energía o los efectos del caudal) de un líquido en movimiento.

Hidráulica significa usar las propiedades de los líquidos para transmitir presión y movimiento. Las máquinas más conocidas de este tipo son la prensa hidráulica y el gato hidráulico. El principio de líquido a presión y el aumento de la eficiencia mecánica también es ideal para su uso en sistemas de frenado de vehículos.

Un sistema hidráulico básico consta de dos pistones conectados por líquido en cilindros, uno de diámetro estrecho y otro de diámetro grande. Una fuerza aplicada al pistón estrecho aplica cierta presión al líquido, que se transmite al pistón más grande.

Debido a que el área de este pistón es mayor, la fuerza que se ejerce sobre él es mayor. Se ha aumentado la fuerza original, aunque el pistón más pequeño tiene que moverse una distancia mayor para mover el pistón más grande solo una distancia pequeña. Se gana ventaja mecánica en fuerza, pero se pierde movimiento.

Fig. 1 - Un sistema hidráulico como éste a veces se llama palanca líquida

El uso ha ampliado su significado para incluir el comportamiento de todos los líquidos, aunque se refiera sobre todo al movimiento de líquidos. La hidráulica incluye la manera de la cual los líquidos actúan en los tanques y las cañerías, se ocupa de sus características, y explora maneras de aprovechar las mismas. Hoy el término hidráulica se emplea para referirse a la transmisión y control de fuerzas y movimientos por medio de líquidos, es decir, se utilizan los líquidos para la transmisión de energía, en la mayoría de los casos se trata de aceites minerales pero también pueden emplearse otros fluidos, como líquidos sintéticos, agua o una emulsión agua-aceite.

La potencia fluida es un término que fue creado para incluir la generación, control, y el uso de la energía en forma continua y eficaz de fluidos bombeados o comprimidos (líquidos o gases) cuando se utiliza esta energía para proporcionar la fuerza y el movimiento a los mecanismos. Esta fuerza y movimiento puede estar en forma de empuje, tracción, rotación, regulación, o conducción. La potencia fluida incluye la hidráulica, que se relaciona con los líquidos, y la neumática, que se relaciona con los gases. Los líquidos y los gases son similares en muchos aspectos.

Sistemas hidráulicos

Un sistema hidráulico contiene y confina un líquido de manera que el mismo usa las leyes que gobiernan los líquidos para transmitir potencia y desarrollar trabajo. Vemos aquí algunos sistemas básicos y tratamos componentes de un sistema hidráulico que almacenan y acondicionan el fluido. El reservorio de aceite (sumidero y tanque) usualmente sirve para depósito y acondicionador del fluido. Los filtros, reguladores y conexiones magnéticas acondicionan el fluido al quitar impurezas extrañas que podrían obstruir los pasajes y dañar las partes. Los intercambiadores de calor o enfriadores son usados para mantener la temperatura del aceite dentro de los límites aceptables de seguridad y evitar el deterioro del aceite. Los acumuladores, a pesar de ser técnicamente fuentes de energía almacenada, actúan como almacenes de fluido.

Los sistemas hidráulicos constan de una serie de componentes para su funcionamiento adecuado. Estos incluyen un depósito de almacenamiento, un filtro, una bomba hidráulica, un regulador de presión, una válvula de control, un cilindro hidráulico, un pistón y tuberías de flujo de fluido a prueba de fugas. El esquema de un sistema hidráulico simple se muestra en la figura 2. Está compuesto por:

• Un pistón móvil conectado al eje de salida en un cilindro cerrado.
• Depósito de almacenamiento.
• Filtro.
• Bomba eléctrica.
• Regulador de presión.
• Válvula de control.
• Tuberías de circuito cerrado a prueba de fugas.

El eje de salida transfiere el movimiento o la fuerza, pero todas las demás partes ayudan a controlar el sistema. El depósito/tanque de fluido es un depósito para el líquido utilizado como medio de transmisión. El líquido utilizado suele ser un aceite incompresible de alta densidad. Se filtra para eliminar el polvo u otras partículas no deseadas y luego se bombea mediante la bomba hidráulica. La capacidad de la bomba depende del diseño del sistema hidráulico. Estas bombas generalmente entregan un volumen constante en cada revolución del eje de la bomba. Por lo tanto, la presión del fluido puede aumentar indefinidamente en el extremo muerto del pistón hasta que el sistema falle. El regulador de presión se utiliza para evitar tales circunstancias, redirigiendo el exceso de fluido de vuelta al depósito de almacenamiento. El movimiento del pistón se controla cambiando el flujo de líquido desde el puerto A y el puerto B. El movimiento del cilindro se controla utilizando una válvula de control que dirige el flujo de fluido. La línea de presión del fluido está conectada al puerto B para elevar el pistón y se conecta al puerto A para bajar el pistón. La válvula también puede detener el flujo de fluido en cualquiera de los puertos. Las tuberías a prueba de fugas también son importantes debido a consideraciones de seguridad, riesgos ambientales y aspectos económicos. Algunos accesorios como el sistema de control de flujo, el control de límites de recorrido, el arrancador de motor eléctrico y la protección contra sobrecargas también pueden usarse en los sistemas hidráulicos, pero no se muestran en la figura 2.

Figura 2- Esquema de un sistema hidráulico

DESARROLLO DE LA HIDRÁULICA

Aunque el desarrollo moderno de la hidráulica sea comparativamente reciente, las antiguas civilizaciones estaban familiarizadas con muchos principios hidráulicos y sus usos. Los egipcios y la población antigua de Persia, India, y China transportaron el agua a lo largo de canales para la irrigación y propósitos domésticos, usando las presas y esclusas para controlar el caudal. Los antiguos cretenses tenían un sistema de fontanería avanzado. Arquímedes estudió las leyes de la flotación y cuerpos sumergidos. Los romanos construyeron los acueductos para llevar el agua a sus ciudades.

Después de la desintegración del mundo antiguo, hubo pocas novedades por muchos siglos. Luego, durante un período comparativamente corto, comenzando cerca del final del siglo XVII, el físico italiano, Evangelista Torricelle, el físico francés, Edme Mariotte, y posteriormente, Daniel Bernoulli condujeron experimentos para estudiar los elementos de fuerza en la descarga del agua a través de pequeñas aberturas a los lados de los tanques y a través de cañerías cortas. Durante el mismo período, Blaise Pascal, científico francés, descubrió la ley fundamental de la ciencia de la hidráulica.

La ley de Pascal indica que el aumento en la presión sobre la superficie de un líquido confinado es transmitido sin disminución a través del recipiente o del sistema que lo contiene . (Éste es el principio básico de la hidráulica).

Para que la ley de Pascal sea útil en usos prácticos, era necesario tener un pistón que “encajara exactamente.” No fue sino hasta la última parte del siglo XVIII en que fueron encontrados métodos para hacer piezas que encajaran con precisión según los requerimientos de los sistemas hidráulicos. Esto fue logrado por la invención de máquinas que fueron utilizadas para cortar y para dar forma a las piezas, logrando el encastre necesario, particularmente, por el desarrollo de juntas y empaquetaduras. Desde entonces, componentes tales como válvulas, bombas, cilindros actuadores, y motores han progresado y perfeccionado para hacer de la hidráulica una de tecnologías principales para transmitir potencia.

La prensa hidráulica, inventada por el inglés John Brahmah, fue uno de los primeras partes realizables de maquinaria desarrolladas que utilizaron la hidráulica en su operación. Consistió en una bomba de émbolo canalizada por tubos a un cilindro grande y a un pistón. Esta prensa encontró uso amplio en Inglaterra porque proporcionó medios más eficaces y más económicos de aplicar grandes fuerzas en aplicaciones industriales. .

CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA HIDRAÚLICA Y NEUMÁTICA

En la actualidad las aplicaciones de la oleohidráulica y neumática son muy variadas, esta amplitud en los usos se debe principalmente al diseño y fabricación de elementos de mayor precisión y con materiales de mejor calidad, acompañado además de estudios mas acabados de las materias y principios que rigen la hidráulica y neumática. Todo lo anterior se ha visto reflejado en equipos que permiten trabajos cada vez con mayor precisión y con mayores niveles de energía, lo que sin duda ha permitido un creciente desarrollo de la industria en general.

Fuerza

La palabra “fuerza” usada en un sentido mecánico, significa un empuje o tracción. La fuerza, debido a que empuja o tracciona, tiende a causar que el objeto sobre el cual es aplicada la fuerza se mueva. En ciertas circunstancias, cuando la fuerza que actúa sobre un objeto no es suficiente para superar su resistencia o arrastre, ningún movimiento tendrá lugar. En tales casos, la fuerza aún es considerada como presente.

Dirección de la fuerza. La fuerza puede ser ejercida en cualquier dirección. La misma puede actuar hacia abajo: como cuando la gravedad actúa sobre un cuerpo, empujándolo hacia la tierra. La fuerza puede actuar en forma transversal : como cuando el viento empuja un bote a través del agua. Una fuerza puede se aplicada hacia arriba: como cuando un atleta arroja ( empuja) una bola hacia el aire. O una fuerza puede actuar en todas las direcciones a la vez: como cuando un globo explota.

Magnitud de la fuerza. La extensión (magnitud) de una fuerza dada es expresada por medio de una única medición. En los Estados Unidos, la libra (pound) es la unidad de medición de la fuerza. Por ejemplo, se emplearon 7,5 millones de libras de empuje para elevar (fuerza) la nave Apolo fuera de su lanzadera. La fuerza hidráulica es medida en la cantidad de libras requeridas para desplazar un objeto dentro de un área específica, como por ejemplo una pulgada cuadrada.

Presión.

La palabra “presión”, cuando es usada en conjunto con sistemas mecánicos e hidromecánicos, tiene dos usos diferentes. Uno es técnico; el otro; no técnico. Estos dos usos pueden ser fácilmente distinguidos entre sí por la presencia o ausencia de un número. En el uso técnico, un número siempre acompaña a la palabra “presión”. En el uso no técnico, ningún número está presente. Estas definiciones son explicadas con mas detalles a continuación.

Técnico. El número que acompaña a la presión contiene información específica acerca de la fuerza significativa de la fuerza que es aplicada. La magnitud de esta fuerza aplicada es expresada como el valor al cual la fuerza es distribuida sobre el área sobre la cual está siendo aplicada. Así, libras por pulgada cuadrada (psi) expresan una relación de presión como las millas por hora (mph) expresan velocidad. Un ejemplo de esto es: “El sistema hidráulico en el avión UH-1 funciona a 1500 psi”.

No técnico. La palabra “presión”, cuando es usada en el sentido no técnico indica que una cantidad no especificada de fuerza es aplicada a un objeto. Frecuentemente adjetivos tales como  liviano, medio o pesado son usados para quitar algo de la vaguedad concerniente a la magnitud de la fuerza aplicada.

Medición de presión

Cuando se usa en sentido técnico, la presión es definida como la cantidad de fuerza por unidad de área. Para tener significado universal, consistente y definitivo, la unidades estándar de medición son usadas para expresar presión. En los Estados Unidos, la libra es la unidad de medición usada para la fuerza, y la pulgada cuadrada es la unidad de área. Esto es comparable a la unidad de medición usada para la velocidad: la milla es la unidad de medición de distancia, y la hora es la medición de tiempo.

Una medición de presión es siempre expresada en términos de ambas unidades de medición según lo explicado: cantidad de fuerza y unidad de área. Sin embargo, sólo una de estas unidades, la cantidad de fuerza, es variable. La pulgada cuadrada es usada sólo en singular, nunca mas o menos de una pulgada cuadrada.

Una medición de presión dada puede ser citada en tres modos diferentes y aún significar la misma cosa. Por lo tanto, 50 psi de presión, 50 libras de presión y 50 psi tienen el mismo significado.

Hoy, se utiliza la potencia hidráulica para hacer funcionar muchas y variadas herramientas y mecanismos. En un garaje, un mecánico levanta el extremo de un automóvil con un gato hidráulico. Los dentistas y los peluqueros utilizan transmisión hidráulica, a través pequeños movimientos de una palanca de mando, para levantar y colocar sus sillas a una altura de trabajo conveniente. Los cierres hidráulicos evitan que puertas pesadas se cierren de golpe. Los frenos hidráulicos han sido un equipo estándar en los automóviles desde los años 30. La mayoría de los automóviles se equipan con transmisiones automáticas que son accionadas hidráulicamente. La dirección hidráulica es otro uso de la potencia hidráulica. Los trabajadores de construcción dependen de la energía hidráulica para la operación de varios componentes de su equipamiento. Por ejemplo, la pala de una niveladora es accionada normalmente por energía hidráulica. Durante el período precedente a la Segunda Guerra Mundial la marina de guerra comenzó a aplicar la hidráulica a los mecanismos navales extensivamente. Desde entonces, los usos navales han aumentado al punto donde muchos dispositivos hidráulicos ingeniosos se utilizan en la solución de problemas de artillería, de aeronáutica, y de navegación. A bordo de la nave, se utiliza la transmisión hidráulica para operar equipos tales como el guinche de ancla, las grúas, dirección, dispositivos teledirigidos, y los impulsores hidráulicos de elevación y de entrenamiento para el armamento y los lanzacohetes. Los elevadores en portaaviones utilizan potencia hidráulica para transferir los aviones de la cubierta de hangar a la cubierta de vuelo y viceversa.

El uso extenso de la hidráulica y de la neumática para transmitir energía es debido al hecho de que los sistemas fluidos correctamente construidos poseen un número de características favorables. Eliminan la necesidad de sistemas complicados de engranajes, de levas, y de palancas. El movimiento se puede transmitir sin la holgura inherente en el uso de las piezas sólidas de máquina. Los líquidos usados no están sujetos a roturas al igual que las piezas mecánicas, y los mecanismos no se están expuestos a un gran desgaste. Las diversas piezas de un sistema de energía fluido se pueden situar convenientemente en puntos muy distanciados, puesto que las fuerzas generadas se transmiten rápidamente a distancias considerables con pequeñas pérdidas. Estas fuerzas se pueden desplazar hacia arriba y hacia abajo o a través de codos con pequeñas pérdidas en eficacia y sin mecanismos complicados. Fuerzas muy grandes se pueden controlar por otras más pequeñas y se pueden transmitir a través de líneas y de orificios comparativamente pequeños.

Si el sistema se adapta bien al trabajo que se requiere realizar, y si no se emplea mal, puede proporcionar una acción continua, flexible, uniforme y sin vibraciones, y no es afectado por variaciones de la carga. En caso de una sobrecarga, una reducción automática de la presión puede ser garantizada, de manera de proteger el sistema contra averías o tensiones excesivas. Los sistemas de potencia mediante fluidos pueden proporcionar amplios movimientos variables, tanto en la transmisión de energía rotatoria como en forma rectilínea. La necesidad del control manual puede ser reducida al mínimo. Además, los sistemas de potencia fluida son económicos para operar.

La pregunta que puede presentarse es porqué usar la hidráulica en ciertos usos y neumática en otros. Muchos factores son considerados por el usuario y/o el fabricante al determinar qué tipo de sistema utilizar en un uso específico. No hay reglas claras e inmediatas a seguir; sin embargo, la experiencia pasada ha proporcionado algunas conclusiones que se consideran generalmente cuando se toman tales decisiones. Si la necesidad del sistema requiere velocidad, una cantidad media de presión, y solamente un control relativamente exacto, un sistema neumático puede ser utilizado. Si el uso requiere solamente una cantidad media de presión y de un control más preciso, una combinación de hidráulica y de neumática puede ser utilizada. Si el uso requiere una gran cantidad de presión y/o control extremadamente exacto, un sistema hidráulico deberá ser le opción a elegir.

La hidráulica y la neumática se combinan para algunos usos. Esta combinación se refiere como hidroneumática. Un ejemplo de esta combinación es la elevación usada en garajes y estaciones de gasolina. La presión de aire se aplica a la superficie del fluido hidráulico en un depósito. La presión de aire fuerza el líquido hidráulico a levantar el elevador.

Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir dos, móviles e industriales:

Aplicaciones Móviles

El empleo de la energía proporcionada por el aire y aceite a presión, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como:

• Tractores
• Grúas
• Retroexcavadoras
• Camiones recolectores de basura
• Cargadores frontales
• Frenos y suspensiones de camiones
• Vehículos para la construcción y mantención de carreteras
• Etc.

Aplicaciones Industriales

En la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energía proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros:

• Maquinaria para la industria plástica
• Máquinas herramientas
• Maquinaria para la elaboración de alimentos
• Equipamiento para robótica y manipulación automatizada
• Equipo para montaje industrial
• Maquinaria para la minería
• Maquinaria para la industria siderúrgica
• Etc.

Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehículos automotores, como automóviles, aplicaciones aerospaciales y aplicaciones navales, por otro lado se pueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellas áreas en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisión, así se tiene:

• Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc.
• Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores, equipos de mantenimiento aeronáutico, etc.
• Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas especializados de embarcaciones o buques militares
• Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e instrumental odontológico, etc.

La hidráulica y neumática tienen aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en controles escénicos (teatro), cinematografía, parques de entretenciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina, ascensores, mesas de levante de automóviles, etc.